【正文】 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 2 頁 共 38 頁 技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。 移動機器人的研究不僅可以推動科學(xué)技術(shù)的向前發(fā)展，同時其應(yīng)用必將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著機器人性能不斷地完善，移動機器人的應(yīng)用范圍大為擴展，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且在城市安全、國防和空間探測領(lǐng)域等有害與危險場合得到很好的應(yīng)用。如果汽車偏離車道或距障礙物小于安全距離時，汽車就會發(fā)出警報，提醒駕駛員注意，如 果駕駛員沒有及時作出反應(yīng)，汽車就會自動減速或?？坑诼愤?。我國作為一個世界大國，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之地，未來汽車的智能化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波在智能車避障上的應(yīng)用具有深遠意義，這將對我國未來智能汽車的研究在世界高科技領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要作用。同時小車可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進行一定的彌補，實現(xiàn)經(jīng)濟收益，形成商業(yè)價值。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 1 頁 共 38 頁 1 引言 智能作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達到的或是更高的目標。本設(shè)計主要體現(xiàn)多功能小車的智能 避障 模式，設(shè)計中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點等可以為自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等自動半自動機器人的設(shè)計與普及有一定的參考意義。 超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實現(xiàn)方便，計 算簡單，易于做到實時控制，測量精度也能達到實用的要求，在未來汽車智能化進程中必將得到廣泛應(yīng)用。 本智能小車系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來的智能汽車上了，當駕駛員因疏忽或打瞌睡時這樣的智能汽車的設(shè)計就能體現(xiàn)出它的作用。 隨著計算機、微電子、信總處理及智能控制的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也在逐步深入和細化。因此，移動機器人技術(shù)已經(jīng)得到世界各國的普遍關(guān)注。 1． 1 課題背景及意義 智能移動機器人，是一個集環(huán)境感 知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展人們發(fā)明了各式各樣的具有感知，決策，行動和交互能力的機器人，自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等多個領(lǐng)域。 在國外機器人的發(fā)展有如下趨勢。國外研究機構(gòu)正試圖將機器人應(yīng)用于人類活動的各個領(lǐng)域。與世界機器人總裝機臺數(shù)7500 萬臺相比，中國總裝機量僅占萬分之十六。因此大力發(fā)展我國的機器人事業(yè)刻不容緩 [1]。與普遍意義上的機器人相比智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便，具有很強的趣味性，為此其深受廣大機器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。 本題目設(shè)計的是具有自 動避障功能的智能小車，其設(shè)計思想與一些日常生活迫切需要的機器人（如測距機器人，搜索機器人，管道探傷機器人）類似。 智能小車系統(tǒng)的設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計方法，電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，有很大的擴展空間，稍加改動便可應(yīng)用于實際生產(chǎn)生活中，也可作為高校學(xué)生以及廣大機器人愛好者學(xué)習(xí)研究使用。 不過，就機器人而言，目前還沒有統(tǒng)一的定義，而且自機器人問世以來，人們就很難對機器人下一個確切的定義。我果科學(xué)家對機器人的定義是 ：“ 機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力、和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。 ” 概括說來，機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器 [2]。 障礙物檢測是智能 移動 機器人、智能 汽車 對周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要 方面 。在我國，由于 理論技術(shù)、 基礎(chǔ)設(shè)施 建設(shè) 和 資金分配 等因素限制，在智能機器人技術(shù) 領(lǐng)域 與世界發(fā)達國家存在 相當大 差距，只有 為數(shù)不多 研究機構(gòu)在該領(lǐng)域做出了一些的成果。 20 世紀 60 年代以來，弧焊點焊 氣焊 、機械 設(shè)備 加工、噴涂 刻畫 、 設(shè)計 裝配、檢測等各種類型 ， 各種用途 的機器人相繼出現(xiàn) ， 并迅速在工業(yè)生產(chǎn)中 實現(xiàn)流水線批量生產(chǎn) ，這大大提高了各種產(chǎn)品的 標準型 和質(zhì)量。 因此， 20 世紀 80 年代后期，許多國家有 組織有 計劃的開展了移動機器人技術(shù)的硏究。自主式移動機器人的 設(shè)計 目標是在沒有人的 參與控制 且無需對環(huán)境作任何規(guī)定和改 變的條件下，有目的的移動 并 完成相應(yīng) 設(shè)定 任務(wù)。導(dǎo)航研究的網(wǎng)標就是：在沒有人的干預(yù)下使機器人有目的地移動并完成特定任務(wù)，進行特定操作。因此單從系統(tǒng)硬件層次上講，移動機器人必須具有豐富的傳感器、功能強大的控制計算機以及靈活和精確的驅(qū)動系統(tǒng)。因為超聲波在距離檢測方面的較準確定位。通過軟件內(nèi)部校準優(yōu)化消除外部物理條件造成的誤差從而達到對障礙物的較準確定位。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 5 頁 共 38 頁 2 總體設(shè)計方案及 分析 根據(jù)題目的要求，確定如下方案： 將報廢的 玩具電動車 經(jīng)過改造的 基礎(chǔ)上，加裝 傳感器等探測設(shè)備 ，實現(xiàn)對電動 小 車 前方障礙物的探測，以及小車的 的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行 分析 處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動 小 車的智能控制。 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計方案論證 方案一：采用 STC12C5410 單片機控制系統(tǒng)。 方案二：采用 STC89C52 單片機控制系統(tǒng)。 由于對 8051 系列單片機應(yīng)用比較熟悉，且系統(tǒng)需要用到的 I/O 口較多，而控制 電機轉(zhuǎn)速的 PWM 信號用 1 個定時器即可模擬。 2. 2 超聲波壁障設(shè)計方案論證 方案一：采用多方向超聲波測距分析來實現(xiàn)壁障。 方案二：通過步進電機帶動一對超聲波探頭旋轉(zhuǎn)進行各方向測距，將各方向測得數(shù)據(jù)通過單片機對比分析可得到障礙物方向，然后也是通過調(diào)節(jié)小車左右電機轉(zhuǎn)速差控制小車行駛方向?qū)崿F(xiàn)壁障。因此選用方案二設(shè)計。數(shù)碼管顯示具有高亮、可視距離遠、壽命長的優(yōu)點，一位數(shù)碼管能顯示一位數(shù)據(jù) 。液晶顯示具有耗能少、可同時顯示數(shù)據(jù)多、控制指令簡單、 PCB 布線簡單等優(yōu) 點。 2. 4 直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案論證 方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。簡稱 VM 系統(tǒng)。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容 量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，技術(shù)落后，因此擱置不用。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調(diào)速。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡稱 PWM[4]。 與 VM 系統(tǒng)相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點： （ 1）由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 7 頁 共 38 頁 脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達1： 10000 左右。 （ 2） 脈寬調(diào)制 (PWM)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。模擬控制電路有以下缺陷 :模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。 根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計中受控電機的容量和直流電機調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計采用了 H 型單極型可逆 PWM 變換器進行調(diào)速。 脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。可逆 PWM 變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H 型、 T 型等類型。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 8 頁 共 38 頁 3 元器件介紹 從實際出發(fā)，詳細分析 移動機器人 需求，完成預(yù)定目標所需的相關(guān)設(shè)計，實施方案。該器件采用 ATMEL 密度非易失存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號 PSEN(Pin29)： 外部 存儲器讀選通信號 EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令， 如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 PO 口（ Pin39～ Pin32）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P1 口（ Pin1～ Pin8）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P2 口（ Pin21～ Pin28）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P3 口（ Pin10～ Pin17）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ STC89C52 主要功能 ： 使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外， STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場效應(yīng)管等開關(guān)元件實現(xiàn) PWM 調(diào)速。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可 以 四角限運行； 并且停止時有 輕微的振動 電流，起到 “動力潤滑 ”的 作用，消除 電機 正反向 轉(zhuǎn)動 時的靜摩擦死區(qū) ； 低速平穩(wěn)性好等。 H橋電路的輸入 信號 可以用來 控制 馬達轉(zhuǎn)動 的 方向，使能信號可以用于調(diào)整脈寬 （ PWM） [7]。每 1個電機需要 3個控制信號 EN1 IN IN2，其中 EN12是使能信號， IN IN2為電機轉(zhuǎn)動方向控制信號， IN IN2分別為 1， 0時，電機正轉(zhuǎn)，反之，電機反轉(zhuǎn)。選擇一路I/O 口，經(jīng)反向器 74HC14分別接 IN1和 IN2引腳，控制電機的正反轉(zhuǎn) 。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為 射線 而定向傳播等特點。 小功率超聲探頭多作探測作用。 超聲波測距原理：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始 計時，空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。 內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 12 頁 共 38 頁 程序中測試功能主要由兩個函數(shù)完成，即 measure()負責(zé)計算一次測量小車障礙物的距離，然后 shouldTurn()確定前方有障礙物采取避障措施，根據(jù)車體大小及系統(tǒng)的反應(yīng)，經(jīng)過測試，取 20cm 的反應(yīng)距離效果較為明顯 [11]。 圖 34 超聲波檢測原理 3. 4 數(shù)碼管顯示器 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光 器件 ，其基本單元是 發(fā)光二極管 。這些段分別由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。如：顯示一個“ 2”字，那么應(yīng)當是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不 亮 c 不亮 dp不亮。 [12]小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為 左右，電流不超過 30mA。常用 LED 數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是 0、 A、 B、 C、 D、 E、 F。 CPU 送來的數(shù)據(jù)信號直接送入數(shù)碼管的段號碼，進行數(shù)字顯示，兩個三極管是對數(shù)碼管的位號選操作，當 Q4 導(dǎo)通時就是選擇數(shù)碼管的個位，當 Q3 導(dǎo)通時，就是選擇數(shù)碼管的十位，通過單片機的控制，首先顯示個位數(shù) , 然后關(guān)掉 .之后然后顯示十位數(shù)，再關(guān)掉 , 一直循環(huán)下去，那么我們將會看到連續(xù)的數(shù)字顯示 ,輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 13 頁 共 38 頁 間是極為短暫的（約 1ms），由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上四位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的 顯示而不會有閃爍感 [13]。 電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介于 4～ 6V，一般取 5V。 也就是說， 給它提供一 特定寬度的 脈沖信號 ，它的輸出軸就會 轉(zhuǎn)動到 一個 與之 相對應(yīng)的角度上 ，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才 會將 輸出角度 轉(zhuǎn)動 到新的對應(yīng)的位置上。由此可見， 舵機是一種 精度很高的 位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動 最大角度 不能超過 180 度 ，適用于那些需要角度不斷變化并可以 停滯 的驅(qū)動當中。 舵機的速度決定于 其接受道德 信號脈寬的變化速度。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生 變化 ，角度變化與脈沖寬度的變化成正比 。